摘要：為了方便大家查閱，筆者在這里貼出相關的地址版數據結構數組版數據結構棧版數據結構隊列數組隊列為了解決數組隊列帶來的問題，本篇給大家介紹一下循環隊列。

在上一篇，筆者給大家介紹了數組隊列，并且在文末提出了數組隊列實現上的劣勢，以及帶來的性能問題（因為數組隊列，在出隊的時候，我們往往要將數組中的元素往前挪動一個位置，這個動作的時間復雜度O(n)級別），如果不清楚的小伙伴歡迎查看閱讀。為了方便大家查閱，筆者在這里貼出相關的地址：

Java版-數據結構-數組

Java版-數據結構-棧

Java版-數據結構-隊列（數組隊列）

為了解決數組隊列帶來的問題，本篇給大家介紹一下循環隊列。

啰嗦一下，由于筆者不太會弄貼出來的圖片帶有動畫效果，比如元素的移動或者刪除（畢竟這樣看大家比較直觀），筆者在這里只能通過靜態圖片的方式，幫助大家理解實現原理，希望大家不要見怪，如果有朋友知道如何搞的話，歡迎在評論區慧言。

在這里，我們聲明了一個容量大小為8的數組，并標出了索引0-7，然后使用front和tail分別來表示隊列的，隊首和隊尾；在下圖中，front和tail的位置一開始都指向是了索引0的位置，這意味著當front == tai的時候 隊列為空 大家務必牢記這一點，以便區分后面介紹隊列快滿時的臨界條件

為了大家更好地理解下面的內容，在這里，我簡單做幾點說明

front：表示隊列隊首，始終指向隊列中的第一個元素（當隊列空時，front指向索引為0的位置）

tail：表示隊列隊尾，始終指向隊列中的最后一個元素的下一個位置

元素入隊，維護tail的位置，進行tail++操作

元素出隊，維護front的位置，進行front++操作

上面所說的，元素進行入隊和出隊操作，都簡單的進行++操作，來維護tail和front的位置，其實是不嚴謹的，正確的維護tail的位置應該是(tail + 1) % capacity，同理front的位置應該是(front + 1) % capacity，這也是為什么叫做循環隊列的原因，大家先在這里知道下，暫時不理解也沒關系，后面相信大家會知曉。

下面我們看一下，現在如果有一個元素a入隊，現在的示意圖：

我們現在看到了元素a入隊，我們的tail指向的位置發生了變化，進行了++操作，而front的位置，沒有發生改變，仍舊指向索引為0的位置，還記得筆者上面所說的，front的位置，始終指向隊列中的第一個元素，tail的位置，始終指向隊列中的最后一個元素的下一個位置

現在，我們再來幾個元素b、c、d、e進行入隊操作，看一下此時的示意圖：

想必大家都能知曉示意圖是這樣，好像沒什么太多的變化（還請大家別著急，筆者這也是方便大家理解到底是什么循環隊列，還請大家原諒我O(∩_∩)O哈！）

看完了元素的入隊的操作情況，那現在我們看一下，元素的出隊操作是什么樣的？

元素a出隊，示意圖如下：

現在元素a已經出隊，front的位置指向了索引為1的位置，現在數組中所有的元素不再需要往前挪動一個位置

這一點和我們的數組隊列（我們的數組隊列需要元素出隊，后面的元素都要往前挪動一個位置）完全不同，我們只需要改變一下front的指向就可以了，由之前的O(n)操作，變成了O(1)的操作

我們再次進行元素b出隊，示意圖如下：

到這里，可能有的小伙伴會問，為什么叫做，循環隊列？那么現在我們嘗試一下，我們讓元素f、g分別進行入隊操作，此時的示意圖如下：

大家目測看下來還是沒什么變化，如果此時，我們再讓一個元素h元素進行入隊操作，那么問題來了我們的tail的位置該如何指向呢？示意圖如下：

根據我們之前說的，元素入隊：維護tail的位置，進行tail++操作，而此時我們的tail已經指向了索引為7的位置，如果我們此時對tail進行++操作，顯然不可能（數組越界）

細心的小伙伴，會發現此時我們的隊列并沒有滿，還剩兩個位置（這是因為我們元素出隊后，當前的空間，沒有被后面的元素擠掉），大家可以把我們的數組想象成一個環狀，那么索引7之后的位置就是索引0

如何才能從索引7的位置計算到索引0的位置，之前我們一直說進行tail++操作，筆者也在開頭指出了，這是不嚴謹的，應該的是(tail + 1) % capacity這樣就變成了(7 + 1) % 8等于 0

所以此時如果讓元素h入隊，那么我們的tail就指向了索引為0的位置，示意圖如下：

假設現在又有新的元素k入隊了，那么tail的位置等于（tail + 1） % capacity 也就是（0 + 1）% 8 等于1就指向了索引為1的位置

那么問題來了，我們的循環隊列還能不能在進行元素入隊呢？我們來分析一下，從圖中顯示，我們還有一個索引為0的空的空間位置，也就是此時tail指向的位置

按照之前的邏輯，假設現在能放入一個新元素，我們的tail進行(tail +1) % capacity計算結果為2（如果元素成功入隊，此時隊列已經滿了），此時我們會發現表示隊首的front也指向了索引為2的位置

如果新元素成功入隊的話，我們的tail也等于2，那么此時就成了 tail == front ，一開始我們提到過，當隊列為空的tail == front，現在呢，如果隊列為滿時tail也等于front，那么我們就無法區分，隊列為滿時和隊列為空時收的情況了

所以，在循環隊列中，我們總是浪費一個空間，來區分隊列為滿時和隊列為空時的情況，也就是當 ( tail + 1 ) % capacity == front的時候，表示隊列已經滿了，當front == tail的時候，表示隊列為空。

了解了循環隊列的實現原理之后，下面我們用代碼實現一下。

接口定義 ：Queue

public interface Queue {
    /**
     * 入隊
     *
     * @param e
     */
    void enqueue(E e);

    /**
     * 出隊
     *
     * @return
     */
    E dequeue();

    /**
     * 獲取隊首元素
     *
     * @return
     */
    E getFront();

    /**
     * 獲取隊列中元素的個數
     *
     * @return
     */
    int getSize();

    /**
     * 判斷隊列是否為空
     *
     * @return
     */
    boolean isEmpty();
}

接口實現：LoopQueue

public class LoopQueue implements Queue {
    /**
     * 承載隊列元素的數組
     */
    private E[] data;
    /**
     * 隊首的位置
     */
    private int front;
    /**
     * 隊尾的位置
     */
    private int tail;
    /**
     * 隊列中元素的個數
     */
    private int size;

    /**
     * 指定容量，初始化隊列大小
     * (由于循環隊列需要浪費一個空間，所以我們初始化隊列的時候，要將用戶傳入的容量加1)
     *
     * @param capacity
     */
    public LoopQueue(int capacity) {
        data = (E[]) new Object[capacity + 1];
    }

    /**
     * 模式容量，初始化隊列大小
     */
    public LoopQueue() {
        this(10);
    }


    @Override
    public void enqueue(E e) {
        // 檢查隊列為滿
        if ((tail + 1) % data.length == front) {
            // 隊列擴容
            resize(getCapacity() * 2);
        }
        data[tail] = e;
        tail = (tail + 1) % data.length;
        size++;
    }


    @Override
    public E dequeue() {
        if (isEmpty()) {
            throw new IllegalArgumentException("隊列為空");
        }
        // 出隊元素
        E element = data[front];
        // 元素出隊后，將空間置為null
        data[front] = null;
        // 維護front的索引位置(循環隊列)
        front = (front + 1) % data.length;
        // 維護size大小
        size--;

        // 元素出隊后，可以指定條件，進行縮容
        if (size == getCapacity() / 2 && getCapacity() / 2 != 0) {
            resize(getCapacity() / 2);
        }
        return element;
    }

    @Override
    public E getFront() {
        if (isEmpty()) {
            throw new IllegalArgumentException("隊列為空");
        }
        return data[front];
    }

    @Override
    public int getSize() {
        return size;
    }

    @Override
    public boolean isEmpty() {
        return front == tail;
    }


    // 隊列快滿時，隊列擴容；元素出隊操作，指定條件可以進行縮容
    private void resize(int newCapacity) {
        // 這里的加1還是因為循環隊列我們在實際使用的過程中要浪費一個空間
        E[] newData = (E[]) new Object[newCapacity + 1];
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            // 注意這里的寫法：因為在數組中，front 可能不是在索引為0的位置，相對于i有一個偏移量
            newData[i] = data[(i + front) % data.length];
        }
        // 將新的數組引用賦予原數組的指向
        data = newData;
        // 充值front的位置（front總是指向隊列中第一個元素）
        front = 0;
        // size 的大小不變，因為在這過程中，沒有元素入隊和出隊
        tail = size;
    }


    private int getCapacity() {
        // 注意：在初始化隊列的時候，我們有意識的為隊列加了一個空間，那么它的實際容量自然要減1
        return data.length - 1;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "LoopQueue{" +
                "【隊首】data=" + Arrays.toString(data) + "【隊尾】" +
                ", front=" + front +
                ", tail=" + tail +
                ", size=" + size +
                ", capacity=" + getCapacity() +
                "}";
    }
}

測試類：LoopQueueTest

public class LoopQueueTest {
    @Test
    public void testLoopQueue() {
        LoopQueue loopQueue = new LoopQueue<>();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            loopQueue.enqueue(i);
        }
        // 初始化隊列數據
        System.out.println("原始隊列: " + loopQueue);
        // 元素0出隊
        loopQueue.dequeue();
        System.out.println("元素0出隊: " + loopQueue);
        loopQueue.dequeue();
        System.out.println("元素1出隊: " + loopQueue);
        loopQueue.dequeue();
        System.out.println("元素2出隊: " + loopQueue);
        loopQueue.dequeue();
        System.out.println("元素3出隊: " + loopQueue);
        loopQueue.dequeue();
        System.out.println("元素4出隊,發生縮容: " + loopQueue);
        // 隊首元素
        System.out.println("隊首元素：" + loopQueue.getFront());
    }
}

測試結果：

原始隊列: LoopQueue{【隊首】data=[0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, null]【隊尾】, front=0, tail=10, size=10, capacity=10}
元素0出隊: LoopQueue{【隊首】data=[null, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, null]【隊尾】, front=1, tail=10, size=9, capacity=10}
元素1出隊: LoopQueue{【隊首】data=[null, null, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, null]【隊尾】, front=2, tail=10, size=8, capacity=10}
元素2出隊: LoopQueue{【隊首】data=[null, null, null, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, null]【隊尾】, front=3, tail=10, size=7, capacity=10}
元素3出隊: LoopQueue{【隊首】data=[null, null, null, null, 4, 5, 6, 7, 8, 9, null]【隊尾】, front=4, tail=10, size=6, capacity=10}
元素4出隊,發生縮容: LoopQueue{【隊首】data=[5, 6, 7, 8, 9, null]【隊尾】, front=0, tail=5, size=5, capacity=5}
隊首元素：5

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至此筆者已經為大家帶來了數據結構：靜態數組、動態數組、棧、數組隊列、循環隊列；接下來，筆者還會一一的實現其它常見的數組結構，大家一起加油。

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